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高熵合金在电催化氧还原反应中的应用及发展
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作者 何小波 丁露 +1 位作者 银凤翔 李国儒 《常州大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第1期27-38,共12页
开发用于氧气还原反应(ORR)的高效催化剂是提高燃料电池和金属-空气电池性能的关键。然而,ORR是动力学缓慢反应,存在着很高的过电势,从而降低了燃料电池和金属-空气电池的能量转换效率。高熵合金是由5种或5种以上金属元素等(近)物质的... 开发用于氧气还原反应(ORR)的高效催化剂是提高燃料电池和金属-空气电池性能的关键。然而,ORR是动力学缓慢反应,存在着很高的过电势,从而降低了燃料电池和金属-空气电池的能量转换效率。高熵合金是由5种或5种以上金属元素等(近)物质的量比形成的一种新型合金材料。凭借其独特的组分与结构优势,高熵合金能够高效加速ORR、降低ORR过电势,表现出对ORR的显著催化作用。文章主要综述了高熵合金的结构、性能特点、制备方法以及在催化ORR方面的应用,并提出了挑战和发展展望。 展开更多
关键词 催化剂 电催化 高熵合金 氧还原反应
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MOF衍生的Co_(x)Fe_(y)@NC电催化析氧和氧还原反应
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作者 胡劲松 雷杰 史千喜 《安徽理工大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第1期53-60,共8页
目的通过提升金属有机框架(MOFs)衍生材料的双功能电催化析氧和氧还原能力,来解决金属电池中循环充放电问题,减少钌等贵金属消耗。方法利用Co、Fe双金属以沸石咪唑骨架(ZIF-8)为模板进行掺杂,同时加入1H-1,2,3-三氮唑有机配体进行室温搅... 目的通过提升金属有机框架(MOFs)衍生材料的双功能电催化析氧和氧还原能力,来解决金属电池中循环充放电问题,减少钌等贵金属消耗。方法利用Co、Fe双金属以沸石咪唑骨架(ZIF-8)为模板进行掺杂,同时加入1H-1,2,3-三氮唑有机配体进行室温搅拌,离心、干燥得到前驱体材料,煅烧前驱体材料最终得到Co_(4)Fe_(1)@NC碳材料。结果析氧反应中Co_(4)Fe_(1)@NC达到10mA·cm^(-2)电流密度仅需要1.52V;氧还原反应中Co_(4)Fe_(1)@NC半波电位为0.93V;两者电压之差为0.59V,低于单一金属Co或Fe衍生碳材料。结论采用Co、Fe双金属掺杂策略可以明显提升MOFs衍生催化材料双功能电催化析氧和氧还原能力,引入Fe元素有效调节了Co元素的电子结构,使其在析氧和氧还原过程中具有更好的氧物种吸脱附能力,因此,Co_(4)Fe_(1)@NC可作为潜在的金属空气电池负极材料。 展开更多
关键词 金属有机框架材料 CoFe双金属 反应 氧还原反应
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应用于氧还原反应催化剂的研究进展
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作者 丁瑞鑫 张达 +1 位作者 毕岚森 何燕 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期153-165,共13页
燃料电池作为一种具有高能量转换效率和绿色无污染的能量转换设备,有望改善当前的高化石能源消耗的现状,推进社会绿色发展。燃料电池阴极氧还原催化剂高昂的成本及较差的电化学性能限制了其商业化进程,研究人员正在积极的开发具有高催... 燃料电池作为一种具有高能量转换效率和绿色无污染的能量转换设备,有望改善当前的高化石能源消耗的现状,推进社会绿色发展。燃料电池阴极氧还原催化剂高昂的成本及较差的电化学性能限制了其商业化进程,研究人员正在积极的开发具有高催化活性及稳定性的新型燃料电池氧还原催化剂,本文就近几年燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展进行了综述,并对其之后的发展方向进行了展望。 展开更多
关键词 燃料电池 氧还原反应(ORR) 电催化剂 贵金属 非贵金属 非金属
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Co-N-C氧还原反应电催化剂的制备及性能研究
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作者 宋昱扬 张文彪 高庆生 《复旦学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期199-208,215,共11页
锌空气电池可作为一种无污染、长效、稳定可靠的电源,但其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)缓慢的动力学过程严重阻碍了大规模应用。本文通过表面活化策略在炭黑上构筑不饱和位点用于锚定Co,再以不同质量比的尿素作为氮... 锌空气电池可作为一种无污染、长效、稳定可靠的电源,但其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)缓慢的动力学过程严重阻碍了大规模应用。本文通过表面活化策略在炭黑上构筑不饱和位点用于锚定Co,再以不同质量比的尿素作为氮源,制备了不同氮掺杂量的催化剂,并测试了一系列催化剂的ORR活性,及其在不同电解液中活性的差异。将催化剂用于组装锌空气电池,开路电压达1.441 V,并表现出良好的放电性能,峰值功率密度可达123.5 mW·cm^(-2)。 展开更多
关键词 氧还原反应 钴基氮掺杂碳催化剂 锌空气电池
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可控设计的Co-N/C电催化剂及其氧还原反应活性
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作者 胡鹏 张琪婧 +1 位作者 路肖栋 左自豪 《化学试剂》 CAS 2024年第2期74-79,共6页
能源问题是事关国家发展和安全的重大问题,氧还原反应作为燃料电池阴极半反应近年来成为能源和电催化领域的研究热点之一。通过利用2,9-二甲基-1,10-邻菲啰啉与钴离子的配位形成配合物,将该配合物与炭黑混合均匀,经过中温热解和浓硝酸... 能源问题是事关国家发展和安全的重大问题,氧还原反应作为燃料电池阴极半反应近年来成为能源和电催化领域的研究热点之一。通过利用2,9-二甲基-1,10-邻菲啰啉与钴离子的配位形成配合物,将该配合物与炭黑混合均匀,经过中温热解和浓硝酸氧化后得到钴、氮表面修饰的碳负载纳米催化剂Co-N/C。实验首先利用旋转圆盘电极和旋转环盘电极(RRDE)考察了催化剂在不同pH值下的电催化氧还原性能。电化学测试结果表明,在碱性条件下,该催化剂具有与商业Pt/C相近的4电子氧还原催化性能。随后,通过SEM、TEM、XPS、XRD和FT-IR等设备对催化剂进行表征,以揭示Co-N/C催化剂4电子氧还原催化活性增强的来源。运用功能化修饰策略调控碳材料表面的催化活性位点和碳的电子结构,克服了本征碳材料催化活性不高的缺陷,为设计新型非贵金属氧还原反应催化剂提供了一种新的思路。 展开更多
关键词 Co-N/C 热解 表面调控 电催化剂 氧还原反应
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具有中空和分级多孔结构的高效Co—N—C氧还原反应催化剂
6
作者 贺新福 常廖博 +6 位作者 韩鹏飞 李可可 吴红菊 唐勇 王鹏 张亚婷 周安宁 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期976-988,共13页
开发一种低成本、高效率和稳定的燃料电池的氧还原反应(ORR)催化剂具有极大挑战性。作者通过先在纳米聚苯乙烯(PS)球体表面均匀生长ZIFs,然后分解核壳结构的ZIF@PS,开发了具有中空完整球形结构和大表面积的Co-N-C ORR催化剂,并进行了系... 开发一种低成本、高效率和稳定的燃料电池的氧还原反应(ORR)催化剂具有极大挑战性。作者通过先在纳米聚苯乙烯(PS)球体表面均匀生长ZIFs,然后分解核壳结构的ZIF@PS,开发了具有中空完整球形结构和大表面积的Co-N-C ORR催化剂,并进行了系统的表征。所制催化剂Co-NHCP-2具有分层的多孔结构,超大的比表面积(1817.24 m^(2) g^(-1)),吡啶-N、吡咯-N、石墨-N含量高,且Co分布均匀。作为一种高效的电催化剂,Co-NHCP-2催化剂具有高起始电位(0.96 V)、半波电位(0.84 V)和极限电流密度(5.50 mA cm^(-2))。与市场上的Pt/C催化剂相比,该催化剂在碱性溶液中表现出约4e的ORR途径以及更强的甲醇耐受性和更高的稳定性。这些结果表明,该Co-N-C复合材料可以作为一种有前景的ORR电催化剂。 展开更多
关键词 氧还原反应 分级多孔结构 Co—N—C催化剂 ZIFs 聚苯乙烯球
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金属有机骨架(ZIF-8@ZIF-67)衍生的Co/N共掺杂碳基催化剂在氧还原反应(ORR)中的应用
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作者 张亚婷 李思祎 +4 位作者 张娜娜 林港 王瑞琪 杨梦囡 李可可 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期200-210,共11页
在燃料电池中,碳基氧还原反应(ORR)催化剂被认为是昂贵的铂基催化剂的潜在替代品。近年来,由过渡金属和氮原子共掺杂的碳基材料(M-N-C)以其低成本和优异的活性而受到研究人员的广泛关注。在此,通过精心设计的杨桃状MOF (ZIF-8@ZIF-67)... 在燃料电池中,碳基氧还原反应(ORR)催化剂被认为是昂贵的铂基催化剂的潜在替代品。近年来,由过渡金属和氮原子共掺杂的碳基材料(M-N-C)以其低成本和优异的活性而受到研究人员的广泛关注。在此,通过精心设计的杨桃状MOF (ZIF-8@ZIF-67)为前驱体,采用简单的一步热解法制备钴、氮共掺杂多孔炭材料(命名为Co-N@CNT-C800)。CoN@CNT-C800产生了大量碳纳米管(CNT),独特的三维结构保证了较高的比表面积和孔隙率,有利于ORR的传质和电子传递。同时,Co-N@CNT-C800在碱性介质中表现出优异的半波电位和极限电流密度,分别为0.841 V和5.07 m A·cm^(-2)。此外,与商用Pt/C材料相比,Co-N@CNT-C800还表现出优异的电化学稳定性和耐甲醇毒性。该策略为制备低成本、高活性的能量转换电催化剂提供了一种有效的方法。 展开更多
关键词 N掺杂 碳纳米管 金属有机骨架 电催化剂 氧还原反应
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碳基氧还原反应催化剂研究概述
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作者 罗明生 邵长科 +1 位作者 宋焕巧 王晨 《电池》 CAS 北大核心 2023年第3期328-332,共5页
氧还原反应(ORR)所用的主要催化剂Pt/C存在成本高、抗中毒能力低及稳定性差等劣势,难以进一步商业化。碳基催化剂具有成本低、导电性高、结构多变和资源丰富等优点,有替代铂基材料成为商用氧还原催化剂材料的潜力。对氧还原反应机理进... 氧还原反应(ORR)所用的主要催化剂Pt/C存在成本高、抗中毒能力低及稳定性差等劣势,难以进一步商业化。碳基催化剂具有成本低、导电性高、结构多变和资源丰富等优点,有替代铂基材料成为商用氧还原催化剂材料的潜力。对氧还原反应机理进行介绍;从碳基材料的纳米结构、杂原子掺杂碳基材料两个方面,对碳基氧还原催化剂设计方法进行阐述和总结;对碳基氧还原催化剂的发展进行展望。 展开更多
关键词 碳基材料 氧还原反应催化剂 阴极材料 燃料电池
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中药渣生物炭活化制备碳基电催化剂及其氧还原反应催化性能研究 被引量:3
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作者 赵悦 李德念 +3 位作者 阳济章 熊传溪 袁浩然 陈勇 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期1-7,共7页
以废弃物生物质中药渣为原料,以ZnCl_(2)为活化剂,通过热解活化两步法制备了生物质碳基氧还原电催化剂。采用SEM、氮气等温吸脱附测试、XRD、XPS、元素分析和电化学工作站等材料测试方法,分析了所制备碳基电催化剂的结构特征以及氧还原... 以废弃物生物质中药渣为原料,以ZnCl_(2)为活化剂,通过热解活化两步法制备了生物质碳基氧还原电催化剂。采用SEM、氮气等温吸脱附测试、XRD、XPS、元素分析和电化学工作站等材料测试方法,分析了所制备碳基电催化剂的结构特征以及氧还原反应性能。结果表明,当活化剂与生物炭质量比为4∶1,活化温度为800℃时,所制备的ZC-4∶1-800阴极氧还原电催化剂性能最佳。ZC-4∶1-800具有介孔和微孔结构,比表面积可达970.4 m^(2)/g,其起始电位为0.9 V(vs.RHE),半波电位为0.8 V,极限电流密度为4.9 mA/cm^(2),与商业20%Pt/C性能相近。此外,ZC-4∶1-800具有比商业20%Pt/C更好的稳定性和甲醇耐受性,在实际应用中有望作为商业贵金属电催化剂的替代品,同时也为废弃生物质的资源化利用提供了新路径。 展开更多
关键词 中药渣 生物炭 氧还原反应 燃料电池
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氮掺杂再生活性炭的制备及电催化氧还原反应性能研究 被引量:2
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作者 叶嘉鸿 李德念 +3 位作者 阳济章 赵悦 袁浩然 陈勇 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期37-43,共7页
为解决危废活性炭传统回收方式带来的资源浪费和环境污染等问题,本工作以抗生素脱色废活性炭为原料、氨气为氮源,采用高温热解再生法将氮元素通过sp 2杂化键合进入到活性炭骨架中,制备了氮掺杂再生废活性炭氧还原反应(ORR)催化剂,分析... 为解决危废活性炭传统回收方式带来的资源浪费和环境污染等问题,本工作以抗生素脱色废活性炭为原料、氨气为氮源,采用高温热解再生法将氮元素通过sp 2杂化键合进入到活性炭骨架中,制备了氮掺杂再生废活性炭氧还原反应(ORR)催化剂,分析了氮掺杂再生活性炭的物相组成、微观形貌、电化学性能。结果表明,当温度为1000℃、退火时间为1 h时,所制备的N-RWAC-1000-1氧还原电催化性能最佳。N-RWAC-1000-1具有丰富的微孔和介孔结构,比表面积可达908 m^(2)/g,在碱性介质中的起始电位为0.92 V(vs.RHE),半波电位为0.82 V(vs.RHE),均接近商业20%(质量分数)的铂碳催化剂。此外,氮掺杂再生炭拥有优于商业化铂碳的循环稳定性和甲醇耐受性,有望成为新的氧还原催化剂以期为抗生素脱色废活性炭的高值化利用提供了新的方向。 展开更多
关键词 废活性炭 高温热再生 氮掺杂碳 氧还原反应
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用于氧还原反应的双原子钴-铁催化剂 被引量:1
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作者 唐甜蜜 王寅 +5 位作者 韩憬怡 张巧巧 白雪 牛效迪 王振旅 管景奇 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期48-55,共8页
金属-空气电池因其高效率和便携性受到广泛关注.然而,氧还原反应(ORR)的高能垒和缓慢的动力学导致其输出功率低.尽管贵金属铂基材料具有较高的ORR活性,但其在工业上的大规模应用受到高成本的制约.因此,迫切需要以储量丰富的非贵金属为原... 金属-空气电池因其高效率和便携性受到广泛关注.然而,氧还原反应(ORR)的高能垒和缓慢的动力学导致其输出功率低.尽管贵金属铂基材料具有较高的ORR活性,但其在工业上的大规模应用受到高成本的制约.因此,迫切需要以储量丰富的非贵金属为原料,开发具有低成本、高性能和耐用性的催化剂.近年来,单原子过渡金属与氮共掺杂碳材料(M-N-C)成为替代贵金属催化剂的理想材料.理论模拟和实验结果均表明,单原子Fe/Co-N-C催化剂具有良好的ORR活性,其中FeN_(4)和CoN_(4)构型被认为是主要活性位点.此外,含有相邻金属位点的双金属单原子催化剂具有加速ORR动力学的巨大潜力.通过对ORR中间体的桥式-顺式吸附,双金属位点可以促进O-O键的裂解,从而提高催化活性.除固有活性外,双金属位点可减少ORR过程中含氧中间体对M-N键的攻击,提高M-N-C对ORR的耐久性和工业应用潜力.因此,近年来,研究者开始探索双金属单原子催化剂的合成和电催化性能,发现Fe-Co, Fe-Mn, Fe-Cu, Co-Zn和Co-Pt双位点可以有效催化ORR.为进一步提高ORR活性,需要合理调节双原子结构,并引入更多的双金属位点.本文在氮掺杂石墨烯纳米片上构建了一种含FeN_(3)-CoN_(3)位点的新型双原子催化剂(CoFe-NG),该催化剂具有较好的ORR催化活性,半波电位为0.917 V, Tafel斜率为46 mV dec^(-1),远远优于单原子Fe-NG、单原子Co-NG和Pt/C催化剂.Koutecky-Levich曲线和H_(2)O_(2)产率揭示了CoFe-NG具有高效的四电子ORR过程,不仅表现出高电流密度,而且对氧还原为OH-(而不是过氧化氢)更具选择性.计时安培测试结果表明, CoFe-NG对甲醇和一氧化碳中毒具有较高的耐受性.KSCN中毒实验结果表明, SCN^(-)离子与Fe和Co位点发生强配位作用并使活性位点中毒.以CoFe-NG为空气电极组装的锌-空气电池,开路电压为1.47 V,峰值功率密度高达230 mW cm^(-2),具有良好的充放电循环稳定性,可以为一个小灯泡供电,并且在5 mA cm^(-2)条件下持续充放电250 h,输出电压几乎不变.理论计算表明,掺氮石墨烯上的FeN_(3)-CoN_(3)位点比FeN_(4)和CoN_(4)位点具有更低的ORR能垒, FeN_(3)-CoN_(3)位点上的速控步是^(*)OH中间体向H_(2)O的转化,与单位点FeN_(4)和CoN_(4)不同.综上,本文为可控合成高性能双金属单原子催化剂及进一步深入分析其电催化氧还原反应机理提供参考. 展开更多
关键词 双原子催化剂 M-N-C 氧还原反应 理论计算 锌-空气电池
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用于氧还原反应的PtNi合金催化剂研究进展 被引量:2
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作者 逄芳钊 姚陈思琦 +6 位作者 李安金 赵盘巢 李继刚 易伟 何建云 蒋云波 陈义武 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期154-162,共9页
氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极催化反应的关键步骤。氧还原活性趋势图(火山图)中,贵金属Pt超高的催化性能显而易见,因此目前氧还原性能最佳的商业化催化剂仍然是碳载铂(Pt/C)。另一方面,Pt昂贵的价格也促使国内外研究者尝试开发P... 氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极催化反应的关键步骤。氧还原活性趋势图(火山图)中,贵金属Pt超高的催化性能显而易见,因此目前氧还原性能最佳的商业化催化剂仍然是碳载铂(Pt/C)。另一方面,Pt昂贵的价格也促使国内外研究者尝试开发Pt合金催化剂、非Pt催化剂等新型催化剂。在开发低Pt催化剂过程中,通过添加过渡金属来改变d带中心是较普遍的解决方案。研究者发现PtNi/C催化剂的氧还原性能远超商业化Pt/C催化剂,但催化剂中的过渡金属Ni在酸性条件下易溶解,从而破坏反应环境,导致稳定性较差。当前针对该问题的研究主要聚焦于调节催化剂晶面、表面应变以及组成结构,通过改变这些因素试图提高催化剂的电化学活性和耐久性。其中,由Pt_(3)Ni(111)面封闭形成的八面体纳米颗粒已经被认为是很有前途的氧还原反应电催化剂,成为了PtNi双金属催化剂中的研究热点。此外,对合金表面进行其他金属/非金属元素修饰,改善催化剂载体性质,也可以实现催化剂氧还原性能的提高。本文综述了近些年用于氧还原反应的Pt-Ni基催化剂的研究现状,主要包括通过催化剂形貌调控来控制暴露晶面、对催化剂进行表面修饰,以及载体性能优化和选用新的载体等方面。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 氧还原反应 铂镍合金催化剂 八面体
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空心氮掺杂碳球锚定单原子铁位点用于高效电催化氧还原反应 被引量:1
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作者 王敏敏 冯超 +1 位作者 柳云骐 潘原 《燃料化学学报(中英文)》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期581-588,共8页
本研究将单原子分散的Fe-N_(4)位点锚定在氮掺杂空心多孔碳球上用于电催化氧还原反应,研究表明,所制备的FeSAs/HNCSs-800催化剂表现出优异的电催化氧还原性能,其起始电位为0.925 V,半波电位为0.867 V。球差电镜和同步辐射X射线吸收光谱... 本研究将单原子分散的Fe-N_(4)位点锚定在氮掺杂空心多孔碳球上用于电催化氧还原反应,研究表明,所制备的FeSAs/HNCSs-800催化剂表现出优异的电催化氧还原性能,其起始电位为0.925 V,半波电位为0.867 V。球差电镜和同步辐射X射线吸收光谱证实了催化剂中存在高度分散的Fe-N_(4)单原子位点。通过密度泛函理论计算证明单原子Fe-N_(4)位点是氧还原反应有效的活性位点,其相邻的C缺陷可以有效调控单原子Fe的电子结构,进而提高电催化氧还原性能。 展开更多
关键词 氮掺杂空心碳球 Fe-N_(4)位点 单原子 氧还原反应 电催化剂
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电纺炭纳米纤维的铁氮位点嵌入及电催化氧还原反应 被引量:1
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作者 许翔翔 张念超 +1 位作者 王俊英 王俊中 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期154-161,共8页
金属氮碳型催化剂,因其高活性、大比表面积和有效的气体扩散途径,在涉气电催化领域受到高度关注。本文采用静电纺丝法和退火处理制备了镶陷铁氮活性位点的碳纳米纤维,通过在聚丙烯腈前驱体中引入g-C_(3)N_(4)来增强纳米纤维中Fe在氮位... 金属氮碳型催化剂,因其高活性、大比表面积和有效的气体扩散途径,在涉气电催化领域受到高度关注。本文采用静电纺丝法和退火处理制备了镶陷铁氮活性位点的碳纳米纤维,通过在聚丙烯腈前驱体中引入g-C_(3)N_(4)来增强纳米纤维中Fe在氮位点上的锚定,阻止热退火过程铁纳米颗粒的形成,从而提高碱性和酸性介质中的氧还原性能(明显优于不使用g-C_(3)N_(4)时所得的Fe_(3)C/CNF对照样)。所制备的Fe/CNF催化剂,表现为4e路径电还原氧的催化活性;阴极催化锌空电池的性能良好:开路电压1.49 V,功率密度146 mW cm^(-2),比容量703 mAh g^(-1)。本工作呈现了一种制备涉氧电池的金属-氮-碳纳米纤维催化剂的策略。 展开更多
关键词 静电纺丝 炭纳米纤维 氧还原反应
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在N掺杂碳纳米管/纳米线耦合超结构中原位固载CoNi纳米颗粒制备莫特-肖特基催化剂并用于高效电催化氧还原反应
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作者 夏苏为 周其兴 +6 位作者 孙若栩 陈立章 张明义 庞欢 徐林 杨军 唐亚文 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第11期278-289,共12页
设计开发可用于电催化氧还原反应(ORR)的高效催化剂对于推进可持续能源技术(如燃料电池和金属空气电池等)的进一步发展至关重要.然而,由于ORR涉及多电子转移过程,并且动力学迟缓,电位高,从而限制了相关技术的实际应用.到目前为止,铂族... 设计开发可用于电催化氧还原反应(ORR)的高效催化剂对于推进可持续能源技术(如燃料电池和金属空气电池等)的进一步发展至关重要.然而,由于ORR涉及多电子转移过程,并且动力学迟缓,电位高,从而限制了相关技术的实际应用.到目前为止,铂族金属被认为是ORR的基准电催化剂.然而,由于铂族金属资源稀缺、价格高、催化剂稳定性不足阻碍了其在不同能源装置中的进一步应用.因此,亟需开发出高活性、低成本、耐用的ORR电催化剂,从而推进可再生能源技术的进一步发展.双金属纳米合金因具有良好的导电性、可调整的电子态且金属间存在协同效应而被认为是一种有较大应用前景的ORR催化材料.本文采用自我牺牲模板法,将均匀的Co Ni合金纳米颗粒原位封装在N掺杂碳纳米管/纳米线耦合的分层结构中,构建了莫特-肖特基电催化剂(CoNi@N-CNT/NWs),并应用于金属空气电池.采用X射线衍射、拉曼光谱、热重、BET比表面积测试、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和透射电镜等方法对催化剂进行了表征.扫描电子显微镜和透射电镜结果表明,复合材料呈现一维多级结构的纳米管分支/纳米线主干的层次结构.实验结果和理论计算表明,CoNi纳米合金与N掺杂碳纳米管/纳米线的整流接触可以诱导自驱动电荷在莫特-肖特基异质结上转移,从而提高了电子转移效率并调节电荷分布.此外,碳分支/主干型分层结构作为支架的建立,增加了CoNi@N-CNT/NWs材料中活性位点的暴露,避免了材料堆积或聚集,进而提高了机械稳定性,缩短了传质扩散的路径并提高了气体传质的速率.得益于结构和电子优势,CoNi@N-CNT/NWs具有较好的ORR性能,其半波电位(E1/2)为0.86 V,在0.1 molL^(-1)KOH电解质中表现出较好的稳定性.采用CoNi@N-CNT/NWs电催化剂组装的锌空电池可以实现较高的开路电压、高峰值功率密度以及大比容量和持久的循环性能,在不同ORR相关的能源装置中展示出良好的应用前景.综上所述,金属空气电池是未来最具有潜力的能源转换器件之一,双金属纳米合金的精细设计和结构调控将为氧还原催化剂的可控制备和性能优化提供新思路. 展开更多
关键词 CoNi合金 碳纳米管 碳纳米线 氧还原反应 锌空气电池
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中心电子富集的NO-FeN_(4)位点作为质子交换膜燃料电池的高级酸性氧还原反应电催化剂
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作者 钟程安 周天培 +8 位作者 张楠 陈明龙 谢友学 闫文盛 储旺盛 郑旭升 徐倩 葛建开 吴长征 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期37-45,I0002,I0003,共11页
开发非贵金属催化剂,特别是用于碳上铁氮(FeNC)材料的催化剂,对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的广泛应用是一个迫切需求。然而,传统铁氮位点在酸性条件下的氧还原反应(ORR)活性较差,严重阻碍了其电池性能的进一步提高。本文通过限域的小... 开发非贵金属催化剂,特别是用于碳上铁氮(FeNC)材料的催化剂,对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的广泛应用是一个迫切需求。然而,传统铁氮位点在酸性条件下的氧还原反应(ORR)活性较差,严重阻碍了其电池性能的进一步提高。本文通过限域的小分子合成策略,大规模合成了具有一氧化氮(NO)基团轴向修饰的FeN_(4)(表示为NO-FeN_(4))。得益于NO基团的强吸电子效应,与传统的FeN_(4)样品相比,富含电子中心FeN_(4)位点表现出超高的ORR活性,具有三倍高的质量活性(0.85 V时为1.1 A·g^(−1)),以及全四电子反应选择性。此外,用所制备的电催化剂组装的质子交换膜燃料电池也表现出显著增强的峰值功率密度(>725 mW·cm^(−2))。这项工作为合理设计用于氧还原的先进M-Nx非贵金属电催化剂提供了一种新的方法。 展开更多
关键词 大规模定制合成 氧还原反应 质子交换膜燃料电池 限域小分子合成
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Pd基氧还原反应纳米合金电催化剂研究进展
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作者 刘丹叶 曾庆 +4 位作者 胡振亚 刘卉 崔朋蕾 陈东 杨军 《上海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期819-841,F0002,共24页
在电催化过程中,反应物、中间态和最终产物分子与电催化剂表面的相互作用至关重要,因此对电催化剂表面的活性位点进行调控与修饰是电催化研究中极其重要的一部分,直接决定了电催化过程的效率和成本.首先,简单介绍了电催化的相关基础知识... 在电催化过程中,反应物、中间态和最终产物分子与电催化剂表面的相互作用至关重要,因此对电催化剂表面的活性位点进行调控与修饰是电催化研究中极其重要的一部分,直接决定了电催化过程的效率和成本.首先,简单介绍了电催化的相关基础知识,以燃料电池阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)为例,介绍了反应过程机理和高效电催化剂的设计原则.然后,综述了电催化剂活性位点调控的最新进展及面临的挑战,主要包括Pd基纳米合金催化剂的结构和组成;介绍了如何利用各种物理效应(例如晶格应变和电子耦合效应)提升催化活性和稳定性.最后,围绕Pd基纳米合金催化剂性能的进一步提升以及贵金属电催化剂成本控制这两个问题,对其未来的合成策略和发展进行了展望. 展开更多
关键词 电催化 电催化剂 燃料电池 氧还原反应 Pd基纳米合金 贵金属
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利用高空间分辨针尖增强拉曼散射识别氮掺杂富勒烯催化的氧还原反应中间体
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作者 于海朕 王俐 +1 位作者 王传奎 谢震 《Chinese Journal of Chemical Physics》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第4期419-426,I0034,I0035,共10页
氮掺杂富勒烯(C_(59)N)催化剂在氢燃料电池的氧还原反应中表现出良好的活性.然而,C_(59)N上发生的氧还原反应路径的中间体和催化活性位点尚未被直接表征,阻碍了对C_(59)N催化剂在氧还原反应中活性增强机制的理解.本文通过在模拟计算中... 氮掺杂富勒烯(C_(59)N)催化剂在氢燃料电池的氧还原反应中表现出良好的活性.然而,C_(59)N上发生的氧还原反应路径的中间体和催化活性位点尚未被直接表征,阻碍了对C_(59)N催化剂在氧还原反应中活性增强机制的理解.本文通过在模拟计算中考虑空间限制等离子体的不均匀分布,从理论上提出高空间分辨针尖增强拉曼散射可以有效地识别C_(59)N上氧还原反应的不同中间体构型.通过调整聚焦的空间限制等离子体位置,氧还原反应中与O_(2)-C_(59)N相互作用有关联的振动模式可以被高空间分辨针尖增强拉曼散射光谱直接选择出来,并且得到增强.此外,选择出来的振动模式对应的高空间分辨针尖增强拉曼散射图像在吸附位点周围给出了拉曼热点,提供了氧还原反应在C_(59)N上催化活性位点的原位观测细节。这些发现为今后通过高分辨率高空间分辨针尖增强拉曼散射技术在分子尺度上探索催化系统提供了良好的参考. 展开更多
关键词 氧还原反应 针尖增强拉曼散射 高空间分辨率拉曼图像 氮掺杂富勒烯
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非Pt基催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展
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作者 董以宁 李赫 +3 位作者 宫雪 韩策 宋平 徐维林 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1077-1093,共17页
对绿色、高效能源储存装置日趋强烈的需求,使得用于清洁能源转换的先进技术获得了研究者的密切关注。具有环境友好、高能量转换效率等优势的燃料电池是传统能源转换装置极具希望的替代品。然而,工业催化界中商业化程度高的Pt体系催化剂... 对绿色、高效能源储存装置日趋强烈的需求,使得用于清洁能源转换的先进技术获得了研究者的密切关注。具有环境友好、高能量转换效率等优势的燃料电池是传统能源转换装置极具希望的替代品。然而,工业催化界中商业化程度高的Pt体系催化剂存在成本高、稳定性差和抗毒化能力弱等问题,限制了燃料电池的进一步发展。开发储量丰富、成本低廉且性能优异的非Pt体系氧还原(ORR)催化剂是降低燃料电池成本,促进其大规模应用的有效途径。对此,结合近10年来国内外研究成果,系统介绍了当前各类非Pt体系ORR催化剂的研究进展,包括非贵金属基以及非金属基催化剂。同时,针对各类催化剂的优点、不足及改性策略进行了归纳与总结,并对未来ORR电催化剂的发展提出挑战、做出展望。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 非贵金属催化剂 非金属催化剂 氧还原反应
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